电动机的故障检测与排除

　　电动车电机种类和构造
　　电动自行车车用电动机有两大类，五个品种。两大类是：有刷电机和九州无刷电机；五个品种是有刷电机有齿轮传动和无齿轮传动，无刷电机有传感器、无传感器和盘形电枢齿轮减速无刷电机。
　　1．轮毂式有齿轮传动有刷直流电动机
　　该电机一半是盘形电枢有刷电机，另一半是齿轮减速兼传动系统（图4-1）。盘形电枢是高速转动的转子，构造图4-1b。电机的转矩是通过轴传递给第一级齿轮，经齿轮减速带动轮毂外动。
　　
　　图4-1 轮毂式有齿轮传动有刷直流电动机构造图
　　（a）磁钢排列的方法 （b）电机剖面图
　　有刷有齿轮毂电机的盘形电枢，是薄片形，体积很小，重量特轻，安装方便。绕组编制好之后，用树脂加玻璃纤维放进模内热成型，之后在5000r/min的转速下高速旋转，试验2min，偏转、跳动和电枢的强度指标应当合格。
　　电机在运行中由于电刷和换向器摩擦，又有齿轮啮合减速，所以有刷电机的声音比无刷电机声音大。
　　2．轮毂式无齿轮传动有刷直流电动机
　　为了适应轮毂结构，简化电机，将有刷电动机设计成电枢放在外边做转子，磁钢放在电机之内做定子，多块磁钢配多个绕组，组成转速为180r/min左右的低速电机。
　　
　　由图4-2a中看到这种电机外转子中尚未经过压力整形的电枢绕组，在绕组以内是平面环状整齐排列的换向片。图4-2b是放在外转子上的间隔排列着10块磁钢的定子，在中间的毂板上开有两个孔，电刷的刷握就设在孔的背侧，电刷带着导线被弹簧从刷握中弹出。
　　从图中能看到定子的轴端套有一个螺母，防止在加工中损伤轴的螺纹，把电刷整理好装入刷握中，将这一端送进图4-2a的孔中，电刷就可以接触在换向器平面上，借助弹簧的弹力，对换向器压紧，而磁钢正好进入外转子绕组中，只留一个很小的环形气隙。这个环形气隙的直径越大，电机产生的转矩也越大。
　　3．无刷直流电动机
　　把无齿轮传动的有刷直流电动机定、转子内外对调，将绕组改成三个相做定子，磁钢装在电机外壳内，取消电刷和换向器，在电枢绕组中间安装三个霍耳传感器，这就成为一台无刷直流电动机。它的外形与图4-4相同。电枢内定子如图4-5a所示，从图中可以看到绕组嵌入定子铁心后的形状，三相绕组引线经压板固定后，从轴的一端空心引出，从轴的两端部各铣出对应的两个平面，可以装入车的前*或后*的*口内，上紧螺母，在运行时产生反力矩。对有传感器的电枢，3个霍耳传感器按120°均匀安装在绕组有引线一端贴近外转子磁钢的地方。每个传感器有3根引线，其中电源线和地线是共用的，合并后变成5根总引线，与绕组引线从轴孔中引出。
　　
　　图4-3 轮毂电机外形
　　
　　图4-4 无刷电机绕组定子和外磁转子及其磁钢排列
　　无刷直流电机的外转子由7~20对或更多的n、s极互相交替的钕铁硼磁钢强度的磁场强度高，相对价格也较低。钕铁硼磁钢的居里点低，但外壳的散热条件好。
　　相反，内磁转子或内磁定子则采用居里温度较高的磁钢如钐钴合金或其他磁场强度满足要求的磁钢，要求居里温度应不低于400℃。
　　4．无刷有齿轮减速电机
　　和有刷盘形电枢有齿轮传动电机结构基本相同，它也有一个灵巧的盘形电枢，甚至磁钢排列也是一致的，本质区别是它没有换向器，有霍耳位置检测装置。它们更大的区别在控制器，有功率换向电路为电枢的每个相提供电流，有霍耳信号译码和编码，以根据检测到磁钢n极位置，确定供电相位或方向。简单地讲，它具有有刷有齿轮传动电机的构造，却又有无刷电机的原理。

　　电机的检查和测量
　　（一）准备工作
　　电机检查和测量需要的工具，根据自己的规模和修理能力而定。本文按全面检测车用电机要求介绍，不一定所有的维修站都按照介绍来装备。至于个人，无论是业余修理还是进行研究，更得从自己长远打算和需要而定，请不要盲目设置，与朋友交换使用是最经济合理的办法。
　　1．常用工具
　　首先应当准备一些常用的、不可缺少的修理工具，拆卸电机还要准备铝合金（或铜）扁铲，拆解电机壳盖，要用比电机外壳材质软的工具，防止冲伤电机外壳。
　　2．拉轴器是拆卸轴或轴承的工具，又称拉拔器。
　　3．仪器设备万用表（50mf级）、50v电压表、10a电流表、开口变压器、转速表、转矩传感器或电机检测仪、可调电源箱等。
　　4．参考配置的仪器如绕组匝间耐压测试仪，短路测试仪，线圈圈数测量仪，电枢检测仪等。电机转速是检查电机时经常要掌握的，转速仪有接触式和非接触式。接触式转速仪不适于轮毂电机测试，应使用非接触式，有条件的可购置一台非接触式高精度激光转速表。
　　（二）电机的测试项目
　　车用直流电动机的测试项目主要着重于性能方面，性能检测中发现问题，再进一步测量和分析，如绕组、换向器、轴承，以及转子和电枢中心偏斜率、气隙等。有些项目是大型电机或是制造厂执行的质量检查标准，我们在使用和修理中有的不必要，有的做不到。车用电机修理应当按实际需要，根据自己的能力和条件而定。力学和特性方面的检测项目应当包括转矩、转速、效率、时间常数、堵转电流等。目前已经有许多种检测电机的仪器设备产品，而且技术相当完善，可以完成从自动测量、计算、分析、得出结果，到打印等全部工作。
　　1．电机转速的测量
　　有接触式和遥测式。接触式的，如手持转速表可以用于柱式电机轴的输出转数，对轴的转动中心进行检测；车用轮毂电机则可用遥测式转速表测量。遥测的也就是非接触式的，有几种可以使用：
　　（1）数字式转速表：这种表的原理是将物体的转速变成脉冲，测量脉冲频率，即得到转速。这类转速表有磁电式、电容式、霍耳元件式和光电式。常用的是光电转速表，如dt2234a型，有5~6000r/min和1000~10000r/min两种。缺点是需要反光纸。反光纸是消费品，需要更换。
　　（2）较好的是频闪式仪器：这种转速仪用途广泛，操作简单，体积小，量程宽，精度高，用闪点测量可达150000r/min，精度为1%，不用接触即可测量物体转速。
　　2．电机转矩测量
　　（1）轮毂电机检测分析仪：如图4-8所示，这是一台功能相当理想的电机检测设备，它可测定电机转矩、转速何效率等项目。设备分两部分：一是数据测取部分——转矩传感器；一是根据测得数据分析并得出结果的部分——电脑分析仪，实际是安装了专用软件的电脑，它可用键盘操作设定要进行测定和分析的项目，也可用鼠标点击选择窗口中的项目，检测结果显示在屏幕上，也可打印出来。
　　
　　图4-8 电动自行车轮毂电机检测分析仪
　　（a）转矩传感器测试仪 （b）电脑分析仪
　　直流电动机检测时还需测定功率、效率等，需要电源，想精确地测量就得用标准的可调电源箱。整个测试过程如图4-9所示。当测试全过程完成后，电脑屏幕上可显示各种分析数据和特性曲线，还可将结果打印出来。
　　
　　图4-9 电机检测仪工作流程
　　根据公式T=9.55P/n，可知转矩T与功率P成正比，与转速n成反比。而P=U×I，即功率P也与电压U和电流I成正比，效率则是在某区段是上升的，超过某点则效率下降。
　　（2）涡流测功机：又叫涡流闸、涡流测矩器。适用于测定静态转矩，对小功率电机，加配一台测力传感器后也能测定动态转矩。其构造如图4-10所示。
　　
　　图4-10 涡流测功仪两视图
　　视图4-10a中，1是接受电机转矩的轴，1轴带动圆钢盘5在极靴10内转动，10通过连接横杆11与可偏转的磁极2相连。从图4-10b中又看到，磁极是两组并互相垂直，每个磁极两端各配有线圈，对线圈通电可产生磁通，通过四个横杆11传递给四对极靴10，由于极靴存在磁通，圆盘在转动时产生涡流，并带动极靴转动一定的角度，极靴则又带动磁极和固定磁极的轴9转动，转轴9的端部安装有指针8和平衡锤4，根据圆盘涡流的大小，指针和平衡锤从静止位置随转轴转动，指示刻度盘3上的读数值，这就是测定的转矩。其中的平衡锤、刻度和励磁线圈的电流都是预先经过试验确定的，并分几个档次的备件待用。
　　这种转矩测功机虽然结构形式老些，精度不十分精确，但结构简单，使用方便，调节平滑，造价不高，特别适用。
　　（3）新型电机检测仪：新型检测仪器——测功仪，已经脱离了原来的原理，进而采用更先进、更简单、更精确、更快捷、更轻便的模式。先进技术包括转矩变形轴贴片、变形圆盘贴片、磁粉、磁滞等技术。贴片主要通过变形时贴片电阻值发生变化导致电流变化，换算成各种有用数据达到测量效果。
　　新型电机测功仪已经微型化、集成电路化，利用微小的变化信息，传送到测量电路，再送到电脑，经预先编制的专用软件分析综合得出多项结果，通过打印机绘制曲线图和报告。测试设备简单而精确，是过去老式设备所不能比的。老式设备也不能适应现有车用电机的检测要求。近年来，为适应电动自行车的发展和轮毂电机大量生产，而为此开发的电子仪器越来越多，技术也越来越先进。
　　①电机检测包括电机、电机+控制器、整车条件下电机的检测、测定不同条件电机工作性能等。因此，电机检测设备不仅是电机生产、电动自行车装车前、装车后对电机检测，也是修理过程不可或缺的设备。
　　根据国标GB17761—1999《电动自行车通用技术条件》，对车用电机检测项目分三种条件：
　　a、电动自行车电机空载性能：测定电压、电流、转速；
　　b、电动自行车惦记负载性能：测定电压、电流、转速、转矩；
　　c、电动自行车惦记过载性能：测定电压、电流、转矩。
　　②电机检测仪又称电机测功机，新型测功仪分磁粉型和磁滞型两种。两种类型的特点如下：
　　a、磁粉型：适合于低转速、大转矩电机的检测。缺点是内部磁粉有摩擦、起始转矩较大。
　　b、磁滞型：适合于高转速、小转矩，甚至高达10000r/min以上和低至毫牛米（mN·m）电机的检测。缺点是体积大、价格高、大转矩下容易烧毁，必须有足够完善的冷却措施，连续检测受到限制。
　　3、电机检测项目的意义
　　检测项目与电机性能和经济性能有着密切的关系，比如：
　　⑴转矩：这是电机输出数据中重要的项目电机工作主要是靠转矩。因此，电机检测数据中，转矩列为重要项目。通过电机转矩测量，可推算电机功率和其他力学参数。
　　转矩是电动自行车在加速、上坡和顶风运行时最重要的动力和保证。
　　⑵时间常数：是衡量电机通电后快速动作的重要指标。通电后，在空载下转速由0至空载额定转速的0.632倍所需时间。起动时间：在设定条件下，电机由静止到空载转速所需时间。
　　⑶转速：电机转速必须工作在设计的要求点附近，对电动自行车来讲，还要求它的速度响应快。
　　⑷效率和综合效率：效率低的电机只消耗能量而不出力，非常不经济，是由于设计不合理或发生故障时出现的不正常现象。电动自行车电机效率应当和控制器一同测定综合效率。测定综合效率可以在转矩传感器上，将电机接入控制器，在不同调速阶段测定电机输出功率，同时在控制器与电源间加检测系统，测定同一时间内消耗的电能，然后计算出综合效率。有刷电机系统的综合效率应不低于75%，无刷电机系统不低于85%。
　　⑸堵转：电机因超负荷而停转，这时绕组没有反电势抵抗电流的增长，使线圈温度在适时间内迅速升高并可能烧毁。这种情况下，电机的电流极限和温升速度关系到电机的命运。
　　⑹其他：磁场的测量，绕组的电感、噪声、损耗（包括铜损、铁损、机械损耗、杂散损耗等）、动平衡和静平衡等，对电机来讲都是重要的指标。
　　磁钢的场强是设计时确定的，一般不允许磁钢退磁。否则，影响电机性能和寿命。磁钢退磁会造成电机飞转。绕组电感影响线圈电流的增长和消退，这对在高频率下工作的无刷电机非常重要。噪声是电动自行车整车指标之一与其他机动车相比，电动自行车的噪声小得多。这些都应当符合国家标准和规范。
　　绕组是电机产生电磁转矩的重要部件，是电机设计三大要素之一。绕组的设计和运行中绕组状态，影响着电机的性能。绕组容易发生的问题是：不绝缘、线圈间短路、绕组之间短路、断路等。

　　电动机的故障检测与排除
　　有刷电机故障
　　有刷电机故障主要有不起动、运转失常、过快、过慢、怪声、火花等。
　　1、不起动原因
　　主要是断路。分绕组断路，绕组与换向器间断路，电刷导线脱落，弹簧失效，以及电刷或换向器磨损等。
　　⑴绕组断路：用万用表或mA表测量换向器相对的两个铜片时，与其他部位电阻不同。找到有故障的换向片后，一个表笔先固定不动，另一个表笔左右移动。若指针读数有变化，可断定这个铜片所接的线圈断开；若无论如何移动，阻值总是较大，则可断定另一只表笔所接触的换向片断路。用mA表时，电源电压不应超过3V，遇到断路时，mA表读数最小或没有数值。
　　⑵线圈与换向器铜片开焊：运行中与线圈断路表现相同，但容易检查，用竹针拨动线圈端头与铜片的焊点部件，开焊或虚焊处有活动迹象或立即分离，只要重新焊接即可。若是线圈断路，而且在绕组内部，不好解决。若只有一两个断点，可以在换向片处给以短路连接；断点较多，只有修换一个绕组，应当衡量其经济性和合理性。
　　⑶少数线圈断开：有时一两个线圈断开并不影响运行，只是速度和转矩下降，性能不稳。随着断开的线圈增多，电机便无法起动。
　　2、换向器问题
　　怪声与弹簧过硬、电刷磨损、换向器片间绝缘片鼓出及电枢有突出物等有关，从这几方面检查并解除，怪声即被消除。
　　3、火花和环火
　　火花是由于电刷和换向器接触不良，原因是换向器或电刷磨损或是弹簧压力不足，接触面似接未接，造成电刷跳动而产生的。如果线圈或换向片短路严重、断路，以及电刷跳动严重，有时电流过大，都能造火花接连不断，过多则成为连续，最终变成环火。
　　解决方法是：
　　⑴改善炭刷与换向器的接触，磨平炭刷接触面。
　　⑵更换炭刷或更换弹簧。
　　⑶找到短路或断路点并消除其故障。